周 昊，顏匯锃，施夢僑，程 凱

（中國電子科技集團公司第五十五研究所，江蘇 南京 210016）

0 引言

在器件技術的推動下，單片微波集成電路（MMIC）向著毫米波和多功能應用領域發(fā)展[1-2]。封裝外殼作為連接芯片與外部電路的唯一橋梁，其不僅承擔了機械支撐的外部保護作用，還是信號傳輸?shù)闹匾ǖ?。適用于微波電路封裝的陶瓷外殼逐漸向高頻率、高功率、高集成和高可靠的方向發(fā)展。利用高溫共燒技術制備的四側無引線扁平陶瓷（Ceramic Quard Flat No-lead，CQFN）外殼具備結構強度高、耐惡劣環(huán)境以及在測試、安裝過程中不存在引腳受外界應力而產(chǎn)生形變等優(yōu)點，可以保證集成電路封裝的可靠性，以滿足長期儲存、高可靠等要求比較高的環(huán)境中使用。與SOIC、TSOP、QFP 和TQFP 等封裝形式相比，CQFN 型外殼在封裝面積、封裝高度、封裝重量和寄生效應等方面均有優(yōu)異特性[3-4]。因此，CQFN 外殼逐漸成為MMIC 的主要封裝形式。

與一般集成電路封裝需求相比，適用于微波電路的CQFN 型外殼在設計和加工制造方面難度更大。在微波設計方面，中國電科55 所陸續(xù)報道了多款覆蓋C 波段、X 波段和Ku 波段的陶瓷外殼[5-8]。在制造工藝方面，通過結構設計和關鍵工藝技術的突破，重點解決了小節(jié)距陶瓷外殼產(chǎn)品的沖孔、注漿、細線條金屬化印刷問題，CQFN 型外殼的節(jié)距可覆蓋至0.50 mm[9-10]。

由于CQFN 型外殼的封裝尺寸小，增加了高頻微波傳輸設計的難度。本文介紹了一款基于HTCC 技術的CQFN 型外殼，重點對陶瓷外殼微波傳輸通道的屏蔽地孔進行了設計與優(yōu)化，其使用頻率覆蓋至40 GHz，可為同類型產(chǎn)品設計提供借鑒意義。

1 CQFN 型外殼結構

本文設計的CQFN 型陶瓷外殼尺寸為7 mm×7 mm×1.2 mm，其包含金屬封接框、金屬熱沉、陶瓷框和陶瓷蓋板。封接框材料為可伐合金、熱沉材料為銅-鉬銅-銅（1：4：1）合金，陶瓷框和蓋板均采用中國電科55 所自行研制的AW01 陶瓷材料，氧化鋁占比約為 92%，介電常數(shù)為9.2±0.2，介質損耗角正切為0.001。外殼結構示意如圖1 所示。

圖1 CQFN 型外殼結構示意圖

根據(jù)工程經(jīng)驗，X 波段及其以上頻率的微波外殼的表層傳輸線設計多采用共面波導結構。該結構不僅可以實現(xiàn)更小的輻射損耗，同時也方便探針實現(xiàn)無損測試。為了實現(xiàn)在0.1 GHz～40 GHz 的全頻帶毫米波信號的低損耗傳輸，本文的CQFN 外殼表層和底層傳輸線均采用了共面波導結構。

陶瓷基板內層垂直傳輸線借鑒同軸傳輸線的設計思路，在垂直信號線四周加工環(huán)繞通孔，利用多個垂直過孔結構形成貫穿于陶瓷的密級通孔柵結構。一方面，該結構可以有效抑制高頻信號在相鄰傳輸線之間的耦合及串擾，改善高頻傳輸線本身的傳輸性能；另一方面，該結構可以有效屏蔽電磁能量的泄露，減小寄生效應和諧振，提高傳輸通道的傳輸性能。考慮到地孔位置、地孔與傳輸線的距離、地孔與地孔間距等參數(shù)均對高頻信號在陶瓷基板內部傳輸具有重要影響，因此毫米波陶瓷外殼研制需要充分考慮地孔的設計與優(yōu)化，以改善外殼微波傳輸性能。

2 地孔設計與優(yōu)化

根據(jù)阻抗匹配理論對表層的傳輸線進行了初步計算，提取了陶瓷基板的關鍵參數(shù)，利用HFSS 仿真軟件建立計算模型，如圖2 所示。外殼的三維傳輸通道主要分為兩部分，分別是表層平面?zhèn)鬏斁€和內層垂直傳輸線。整個微波傳輸空間尺寸約為2.50 mm×3.00 mm。其中，表層信號線寬度W1=0.25 mm，表層地與信號線間隙S1=0.27 mm，中間地距離底層高度h1=0.25 mm，傳輸結構總高h=0.50 mm。

圖2 外殼單個射頻引腳三維互聯(lián)仿真結構

在0.1 GHz～40 GHz 的寬頻率范圍內對陶瓷傳輸結構模型進行了初始仿真，結果如圖3 所示。在22.5 GHz處，外殼端口的插入損耗高達6.2 dB。外殼封帽之后形成了封閉的矩形腔體，當封裝頻率到達毫米波時，容易激發(fā)腔體諧振。矩形諧振腔的基模諧振頻率計算公式為：

圖3 射頻端口的仿真結果

其中，a和b分別指的是腔體的長和寬，將本文所述陶瓷外殼的長和寬分別代入并計算，可排除由于外殼腔體尺寸引起的電磁諧振。有文獻結果表明[11-12]，當上述結構中的金屬化孔的直徑d、孔間距p和介質波長λ分別滿足：p＜λ/4,p＜4d時，電磁場能量就不會從金屬孔之間的縫隙中泄漏出去。利用HFSS 軟件計算并分析上述頻點處的電磁能量分布情況，發(fā)現(xiàn)氧化鋁基板內存在較大程度的電磁泄漏，如圖4 所示。高頻信號在該結構傳輸過程中產(chǎn)生了明顯的寄生耦合效應。該頻點處的電磁場輻射進而導致外殼傳輸端口在目標頻帶內性能惡化。

因此，為了進一步尋求地孔分布位置與電磁能量泄露方向的關系，對垂直傳輸和水平傳輸兩個維度分別進行優(yōu)化。

2.1 垂直傳輸優(yōu)化

分析圖4 電場分布情況，可知接地金屬通孔在內埋地和表層傳輸線形成的兩平板間激發(fā)起了圓柱形TEM平板模，進而造成較大程度的電磁場輻射，對傳輸結果造成影響。為了減少上述問題對傳輸性能的影響，綜合考慮地孔間距p、地孔通孔數(shù)量n和地孔分布角度α等關鍵參數(shù)，對傳輸結構作優(yōu)化。在相鄰地孔間增加外圈地孔，其分布如圖5 圓形虛線標注的位置所示。繼續(xù)使用HFSS 軟件對優(yōu)化后的模型在0.1 GHz～40 GHz 的寬頻率范圍進行計算，仿真結果及傳輸端附近的電場分布分別如圖5、圖6 所示。

圖4 傳輸端附近的電場分布

圖5 增加外圈地孔后傳輸端附近的電場分布

圖6 增加外圈地孔后射頻端口的仿真結果

圖6 的計算結果顯示，外殼傳輸端口經(jīng)過優(yōu)化后，其最大插入損耗約為3.9 dB，較初始模型的端口損耗有較大降幅。分析認為，通過增加外圈地孔，有效改善了垂直信號線周圍的電磁場泄露，對平板間的圓柱形TEM平板模有積極改善作用。其主要表現(xiàn)為兩點，一方面，初始模型中22.5 GHz 頻點處的諧振坑消除，端口的惡化問題由低頻向高頻轉變；另一方面，垂直過孔附近的電磁泄漏在分布和強度上都得到了明顯改善，其場強隨著信號線與通孔距離的增加發(fā)生明顯衰減。

2.2 水平傳輸優(yōu)化

盡管外圈地孔的增加減少了垂直方向寄生模式的產(chǎn)生和傳播，但是從水平方向看，表層傳輸線周圍仍存在一定程度的電磁場泄露，無法滿足毫米波高頻器件的封裝需求。在信號線兩側做第3 圈垂直接地孔的設計優(yōu)化，增加信號線與陶瓷邊緣處的通孔柵結構，其分布如圖7 中矩形虛線標注的位置所示。

圖7 增加了圈地孔后傳輸端附近的電場分布

圖7、圖8 所示仿真結果及傳輸端附近的電場分布顯示，使用3 圈地孔設計的傳模型在0.1 GHz～40 GHz的寬頻率范圍獲得了較為理想的結果，外殼的端口插入損耗約為0.60 dB，電壓駐波比≤1.50，且仿真曲線光滑，目標頻段內無突變點。電磁能量被傳輸結構較好地約束在了陶瓷介質內的通道內，無明顯的電磁輻射能量泄露。分析認為，信號線兩側的陣列地孔有效阻擋了平板模式下電磁波，其傳播能量沿陣列方向急劇衰減，直到衰減到寄生的場影響足夠小。兩側的地孔分布從源頭上消除了寄生平板模式，特別是在高頻段獲得了較為理想的微波傳輸性能。

3 測試結果及分析

本文所設計的毫米波CQFN 型封裝外殼由中國電科55 所封裝事業(yè)部HTCC 工藝線制造與生產(chǎn)。采用Agilent 公司型號為N5224A 的矢量網(wǎng)絡分析儀、Cascade 公司型號為PM5 的探針臺對樣品進行測試。為了貼近用戶的實際使用狀態(tài)，采用介質材料為Rogers 5880 的高頻測試板。測試板的傳輸端口結構與外殼一樣，均使用了共面波導結構，其特征阻抗為50 Ω。

射頻輸入通道的測試結果如圖9 所示。結果顯示，在增加了測試板后，端口的插入損耗出現(xiàn)一定程度的惡化。分析認為，由于高頻測試板的焊盤寬度小，增加了外殼焊接對位的難度，易造成額外的損耗。后續(xù)工作需要進一步尋求誤差更小的測試方案。

圖9 外殼射頻傳輸通道微波測試結果

4 結論

基于HTCC 工藝，設計了一款覆蓋0.1 GHz～40 GHz 范圍的CQFN 型外殼，對傳輸通道的地孔分布設計作了優(yōu)化。研究結果顯示，不同分布區(qū)域的地孔與電磁屏蔽的關聯(lián)不一致。內圈地孔設計多為改善垂直方向的能量泄露，對平板間的圓柱形TEM 平板模有積極改善作用；外圈地孔設計多為改善水平方向的能量泄露，對平板模式下電磁波能量泄露的作用更為明顯。多圈地孔的設計保證了毫米波陶瓷外殼的微波信號傳輸，測試結果和仿真結果一致，可為同類型產(chǎn)品設計提供借鑒意義。本次設計的傳輸通道尺寸約為2 mm×3 mm，其占據(jù)封裝外殼的空間仍然較大，后續(xù)工作仍需要進一步優(yōu)化傳輸尺寸，以進一步提高封裝的小型化。